二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法
【專利摘要】一種二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法，該方法采用電子束在真空中對夾層式（三明治型）二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜進(jìn)行退火。所述的夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜為采用二次掩膜法制備的[Mg/B]-X-[Mg/B]結(jié)構(gòu)先驅(qū)膜，X代表標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體層N或絕緣層I，在秒數(shù)量級的退火時間內(nèi)使先驅(qū)膜中的鎂、硼單質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終生成MgB2-X-MgB2結(jié)構(gòu)的SNS型或SIS型二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，S代表超導(dǎo)層。
【專利說明】二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)薄膜約瑟夫森結(jié)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Josephone (約瑟夫森)結(jié)是超導(dǎo)弱電應(yīng)用的關(guān)鍵，自從2001年I月日本Akimitsu等人發(fā)現(xiàn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度為39K的二硼化鎂超導(dǎo)體(Nature410(2001)63)以來，各國科學(xué)家對其約瑟夫森結(jié)的制備產(chǎn)生了很大的興趣，積極探索各種方法制備高質(zhì)量MgB2超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)。MgB2具備較高的臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc，簡單的結(jié)構(gòu)，對傳輸電流透明的晶粒間界，弱的各向異性和較長的相干長度(ξ ab(0)=3.7~12nm)。由于其臨界溫度遠(yuǎn)高于常規(guī)超導(dǎo)體，相干長度和載流子濃度都比高溫氧化物超導(dǎo)體有數(shù)量級的提高，因此，使得MgB2成為制備約瑟夫森結(jié)較為理想的超導(dǎo)材料。
[0003]當(dāng)前制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)一般采用先在襯底上制備出底層二硼化鎂超導(dǎo)薄膜，然后在其上沉積勢壘層，再在勢壘層上沉積并制備出頂層二硼化鎂超導(dǎo)薄膜，最終實現(xiàn)夾層式(或三明治型)二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的制備。在制備過程中，由于超導(dǎo)薄膜的成膜溫度一般高于500°C，并且所需退火時間皆在數(shù)分鐘到十幾分鐘以上，因而在制備約瑟夫森結(jié)的整個退火過程中很難避免勢壘層與超導(dǎo)層之間的成份擴散，退火時間越長則擴散越嚴(yán)重，從而破壞隧道結(jié)的形成，使超導(dǎo)隧道結(jié)的制備面臨很大的困難。因此如果能夠在保證Mg、B充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成MgB2的基礎(chǔ)上大幅度減小超導(dǎo)薄膜的退火時間，則會相對減少勢壘層與超導(dǎo)層之間的成份擴散，使得超導(dǎo)層/勢壘層之間的界面更清晰，將會制備出更高質(zhì)量的二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)。
[0004]文獻(xiàn)“硅襯底MgB2-B — MgB2超導(dǎo)SNS約瑟夫森結(jié)的制備與特性”(柯一青、周迪帆、劉玨、曾敏、朱紅妹、張義邴，第31卷第2期，第166-167頁，2009年5年)和中國專利2011120328538.1 “電子束退火制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法”都提出了二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的制備工藝。
[0005]文獻(xiàn)“硅襯底MgB2—B— MgB2超導(dǎo)SNS約瑟夫森結(jié)的制備與特性”利用兩步原位電子束蒸發(fā)技術(shù)，在Si (111)襯底上蒸鍍[Mg/B]-B-[Mg/B]先驅(qū)膜，然后后退火的方式制備出了 MgB2-B-MgB2超導(dǎo)SNS約瑟夫森結(jié)。其制備工藝具體為:在UTT400超高真空鍍膜儀中，背景真空為lX10_7mbar的蒸鍍條件下，Mg和B層按1:2原子比在Si襯底上交替獲得[B (IOnm)/Mg (15.1nm) ^共300nm厚的周期結(jié)構(gòu)(N=12)，作為底層MgB2的先驅(qū)膜；然后蒸鍍一定厚度的B層作為勢魚層(B層度分別為5nm, IOnm, 20nm, 30nm, 50nm, 80nm, IOOnm);隨后在B勢壘層上按照相同工藝交替沉積[B(IOnm)/Mg(15.lnm) ]N共300nm厚的周期結(jié)構(gòu)，作為頂層MgB2的先驅(qū)膜。蒸鍍完畢后，在IXlO2Pa的Ar氣氛中，以625°C的溫度原位退火30分鐘，制得MgB2超導(dǎo)薄膜SNS夾心結(jié)。
[0006]專利20111 20328538.1的方法為:將制備好的夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜放置于電子束退火設(shè)備中，調(diào)整電子束加速電壓、束流和束斑直徑，調(diào)整退火時間，進(jìn)行快速退火，制備出MgB2-X-MgB2結(jié)構(gòu)的SNS型或SIS型二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，X代表標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體層N或絕緣層I。該專利使用的夾層式(或稱三明治型)二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜結(jié)構(gòu)為[Mg/B]-X-[Mg/B]。[Mg/B]-X-[Mg/B]先驅(qū)膜的制備方法為:在襯底上先沉積出底層[Mg/B]先驅(qū)膜，然后在其上沉積勢壘層X，再在勢壘層X上沉積頂層[Mg/B]先驅(qū)膜。X為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體層N或絕緣層I，X層厚度依據(jù)不同的勢壘層材料來確定。[Mg/B]先驅(qū)膜為[Mg (12nm) +B (8nm) ]M多層膜，此結(jié)構(gòu)式中，方括號中的內(nèi)容表示先驅(qū)膜的每一周期結(jié)構(gòu)由厚度為12nm的Mg層和厚度為8nm的B層組成，即在襯底上沉積第一層Mg (12nm)，再沉積第二層B(Snm)，每一周期結(jié)構(gòu)的厚度為20nm ；M為周期結(jié)構(gòu)的周期數(shù)，為正整數(shù)，其值取決于所需膜厚，例如:若先驅(qū)膜厚度為20nm，則M的取值為I ;若先驅(qū)膜厚度為lOOOOnm，則M的值取500，以此類推。[Mg/B]先驅(qū)膜也可以為周期結(jié)構(gòu)_(15_)+8(10_)]?多層膜。
[0007]從文獻(xiàn)“硅襯底MgB2+ B-MgB2超導(dǎo)SNS約瑟夫森結(jié)的制備與特性”和專利2011120328538.1的制備方法中可以看出，它們在制備[Mg/B]-X-[Mg/B]結(jié)構(gòu)先驅(qū)膜時底層二硼化鎂先驅(qū)膜、中間勢壘層和頂層二硼化鎂先驅(qū)膜中有一部分的邊沿是對齊的，這樣容易造成三層薄膜在對齊的邊沿處互相擴散交錯，連成一片，退火后就容易出現(xiàn)底層超導(dǎo)薄膜和頂層超導(dǎo)薄膜連通的現(xiàn)象，難于制備成超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種采用二次掩膜法制備[Mg/B]-X-[Mg/B]結(jié)構(gòu)先驅(qū)膜并經(jīng)電子束快速退火制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法。本發(fā)明通過改變中間勢壘層和頂層超導(dǎo)薄膜的尺寸大小，使得在制備先驅(qū)膜時底層二硼化鎂先驅(qū)膜、中間勢壘層和頂層二硼化鎂先驅(qū)膜的邊沿?zé)o任何對齊處，并且三層薄膜尺寸依次減小，防止三層薄膜在邊沿處的互相擴散交錯，避免退火后出現(xiàn)底層超導(dǎo)薄膜和頂層超導(dǎo)薄膜的連通現(xiàn)象。
[0009]本發(fā)明方法如下:
[0010]首先采用二次掩膜法制備出夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜，然后將制備好的先驅(qū)膜放置于電子束退火設(shè)備中，調(diào)整電子束加速電壓、束流和束斑直徑，調(diào)整退火時間，進(jìn)行快速退火，在秒數(shù)量級的退火時間內(nèi)使先驅(qū)膜中的鎂、硼單質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制備出MgB2-X-MgB2結(jié)構(gòu)的SNS型或SIS型二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，X代表標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體層N或絕緣層I，S代表超導(dǎo)層。
[0011]本發(fā)明采用二次掩膜法制備的夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜，其結(jié)構(gòu)為[Mg/B]-X-[Mg/B]，裸襯底為硅或碳化硅。
[0012][Mg/B]-X-[Mg/B]先驅(qū)膜的制備方法為:在裸襯底上首先沉積出底層[Mg/B]先驅(qū)膜，然后在底層[Mg/B]先驅(qū)膜上放上掩模版，沉積勢壘層X，掩模版鏤空部分的尺寸小于底層先驅(qū)膜尺寸；再在勢壘層X上放上另一掩模版，沉積頂層[Mg/B]先驅(qū)膜，此掩模版鏤空部分的尺寸小于勢壘層薄膜尺寸。X為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體層N或絕緣層I，X層厚度依據(jù)不同的勢壘層材料來確定。[Mg/B]先驅(qū)膜為[Mg(12nm)+B(8nm)]M多層膜，此結(jié)構(gòu)式中，方括號中的內(nèi)容表示先驅(qū)膜的每一周期結(jié)構(gòu)由厚度為12nm的Mg層和厚度為8nm的B層組成，即在襯底上沉積第一層Mg(12nm),再沉積第二層B(8nm),每一周期結(jié)構(gòu)的厚度為20nm ;M為周期結(jié)構(gòu)的周期數(shù)，為正整數(shù)，其值取決于所需膜厚，例如:若先驅(qū)膜厚度為20nm，則M的取值為I ;若先驅(qū)膜厚度為lOOOOnm，則M的值取500，以此類推。[Mg/B]先驅(qū)膜也可以為周期結(jié)構(gòu)[Mg(15nm) +B (IOnm) ]M 多層膜。
[0013]本發(fā)明方法的具體步驟如下:
[0014]1.制備二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜
[0015](I)制備底層二硼化鎂先驅(qū)膜:
[0016](1.1)將裸襯底固定在樣品工件臺上；
[0017](1.2)將樣品工件臺放置于薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)；
[0018](1.3)待薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)真空度達(dá)到KT5Pa數(shù)量級后，打開該薄膜制備系統(tǒng)的石英晶體薄膜鍍層控制儀；
[0019](1.4)對裸襯底蒸鍍先驅(qū)膜:按照周期結(jié)構(gòu)[Mg+B]蒸鍍先驅(qū)膜。在裸襯底上首先沉積第一層B膜，在第一層B膜上沉積第二層Mg膜，然后在第二層Mg膜上再沉積第三層B膜，在第三層B膜上沉積第四層Mg膜，以此類推，直至達(dá)到該層二硼化鎂先驅(qū)膜所需厚度。
[0020](1.5)待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示達(dá)到所需的二硼化鎂先驅(qū)膜厚度后停止鍍膜；
[0021](1.6)將制備好的先驅(qū)膜取出，至此底層二硼化鎂先驅(qū)膜制備完成；
[0022](2)制備勢壘層:
[0023](2.1)用彈簧片或耐高溫膠帶將具有微結(jié)構(gòu)的鏤空掩模版固定在步驟(I)制備的底層二硼化鎂先驅(qū)膜上，其中掩模版鏤空部分的尺寸小于底層先驅(qū)膜尺寸；
[0024](2.2)將樣品工件臺再次放置于薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)；
[0025](2.3)待薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)真空度達(dá)到10_5Pa數(shù)量級后，打開該薄膜制備系統(tǒng)的石英晶體薄膜鍍層控制儀；
[0026](2.4)按照設(shè)計厚度蒸鍍勢壘層；所述的厚度因勢壘層材料不同而不同，一般在2?10納米之間；
[0027](2.5)待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示達(dá)到所需的勢壘層厚度后停止鍍膜；
[0028](2.6)將制備好的先驅(qū)膜取出，去掉掩模版，至此勢壘層制備完成；
[0029](3)制備頂層二硼化鎂先驅(qū):
[0030](3.1)用彈簧片或耐高溫膠帶將具有微結(jié)構(gòu)的鏤空掩模版固定在步驟(2)制備的勢壘層上，其中掩模版鏤空部分的尺寸小于勢壘層薄膜尺寸；
[0031](3.2)將樣品工件臺再次放置于薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)；
[0032](3.3)重復(fù)所述的步驟(1.3)?(1.5);
[0033](3.4)將制備好的先驅(qū)膜取出，去掉掩模版，至此夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)月旲制備完成。
[0034]2.二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜退火
[0035]2.1將與步驟(I)中制備底層二硼化鎂先驅(qū)膜使用的裸襯底材料相同、尺寸大小相同的裸襯底放入到電子束加工設(shè)備樣品室中的可移動工件臺上，所述的裸襯底為未經(jīng)沉積二硼化鎂薄膜的襯底。關(guān)閉樣品室并啟動真空泵，當(dāng)樣品室內(nèi)的真空度高于1.0X IO-2Pa時，繼續(xù)下一步驟的操作；
[0036]2.2選擇電子束加速電壓U:加速電壓U可以在不高于40kV范圍內(nèi)任意選擇，但前提條件是被該電壓加速后的電子在夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜中的有效穿透深度R必須不小于先驅(qū)膜厚度，有效穿透深度R的值可使用下列公式進(jìn)行估算，其中加速電壓U的單位為kV, R的單位為nm。
[0037]R = (46/1.98)*U1.75
[0038]2.3利用裸襯底進(jìn)行電子束退火條件的摸索，即找到適宜的束斑、束流和退火時間。選擇電子束束流I和電子束束斑尺寸Φ:電子束束流I和束斑直徑Φ應(yīng)相結(jié)合進(jìn)行調(diào)整，使用盡可能小的束流來獲得盡可能大的束斑尺寸，選擇的原則是:能在工件上用肉眼看清楚所述束斑，束斑的大小以完全覆蓋或盡可能多地覆蓋裸襯底為宜。
[0039]2.4確定退火時間:按照步驟2.2和步驟2.3選定的數(shù)值設(shè)定電子束加工設(shè)備的加速電壓、束流和束斑，由電子束加工設(shè)備的移動工件臺將所述裸襯底移動到電子束束斑正下方位置，啟動電子束進(jìn)行退火，記錄裸襯底出現(xiàn)暗紅和橘紅色時的輻照時間tl和t2，則退火時間t選擇為tl≤t≤t2。所述的“暗紅色”為“RAL工業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)色卡對照表”中的“RAL3007Black red”顏色；所述的“橘紅色”為“RAL工業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)色卡對照表”中的“RAL2001Red orange，，顏色；
[0040]2.5先驅(qū)膜退火:加速電壓、束流、束斑和退火時間確定后，從樣品室中取出裸襯底，在樣品室中放置裸襯底的位置放上二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜，用電子束照射所述的二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜，照射時間為t，退火完成后，生成MgB2超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)。
[0041]2.6若所述的夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜尺寸大于所述的束斑尺寸，則待被束斑覆蓋的先驅(qū)膜退火后，移動工件臺，使所述的先驅(qū)膜未被束斑覆蓋的部分移動到束斑正下方，被電子束覆蓋進(jìn)行退火，直至整個先驅(qū)膜被退火生成MgB2超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)。
[0042]本發(fā)明退火工藝可以在電子束焊接機、電子束退火機、電子束曝光機等電子束加工設(shè)備中完成。
[0043]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0044]1、退火時間短:退火時間為秒數(shù)量級，可以有效減小勢壘層與超導(dǎo)層之間的成份擴散；
[0045]2、退火效率高:本發(fā)明制備二硼化鎂約瑟夫森結(jié)可以在秒數(shù)量級的退火時間內(nèi)完成，快速高效。同時利于減少勢壘層與超導(dǎo)層之間的成份擴散，使得超導(dǎo)層/勢壘層之間的界面更清晰，有利于高質(zhì)量二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的制備，降低制備成本。
[0046]3、夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜為采用二次掩膜法制備的[Mg/B]-X-[Mg/B]結(jié)構(gòu)先驅(qū)膜，可以有效防止三層薄膜在邊沿處的互相擴散、連接，避免退火后出現(xiàn)底層超導(dǎo)薄膜和頂層超導(dǎo)薄膜連通的現(xiàn)象。
[0047]4、升降溫速度快:升降溫速率可以高達(dá)IO8~109°C /s，從而在薄膜中形成特定的加熱、冷卻過程。
[0048]5、電熱轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于激光10%的光熱轉(zhuǎn)化效率，環(huán)保、低碳。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0049]圖1為選用不同電子束加速電壓、不同束流和不同退火時間得到的二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)在15K溫度下的直流I~V曲線，退火過程中樣品室真空為3.0X10_3Pa;
[0050]圖2為二次掩膜法制備二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜流程圖，其中圖2a為制備底層MgB2先驅(qū)膜，圖2b放置勢壘層掩模版，圖2c制備勢壘層，圖2d放置頂層MgB2先驅(qū)膜掩模版，圖2e制備的夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜。
【具體實施方式】
[0051]實施例一
[0052]本實施例的先驅(qū)膜制備在ZZXS-500電子束鍍膜機內(nèi)完成，電子束退火在自制EBW-6型電子束焊接機上進(jìn)行。先驅(qū)膜結(jié)構(gòu)為[Mg (15nm) +B (IOnm) ] 6—B (8nm) 一[Mg (15nm) +B (IOnm) ] 5，先驅(qū)膜厚 283nm,襯底 SiC 尺寸為 10.0mmX 3.0mm。
[0053]1、制備先驅(qū)膜
[0054](I)制備底層先驅(qū)膜
[0055](1.1)將尺寸為10.0mmX 3.0mm的SiC裸襯底固定在樣品工件臺上；
[0056](1.2)將樣品工件臺放置于ZZXS-500電子束鍍膜機內(nèi)，并開始抽真空；
[0057](1.3)待真空度高于5X 10_5Pa后，打開石英晶體薄膜鍍層控制儀；
[0058](1.4)在SiC裸襯底上蒸鍍B層，待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示面板上的數(shù)字為loo A后停止鍍膜；
[0059](1.5)在SiC裸襯底的B層上蒸鍍Mg層，待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示面板上的數(shù)字150 A后停止鍍膜；
[0060](1.6)在SiC裸襯底的Mg層上蒸鍍B層，待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示面板上的數(shù)字100 A后停止鍍膜；
[0061](1.7)重復(fù)步驟(1.5);
[0062](1.8)重復(fù)步驟(1.6)?(1.7) 4 次；
[0063](1.9)待真空室溫度降至室溫后取出樣品工件臺，至此結(jié)構(gòu)為_(15鹽)+8(1011111]6膜厚150nm的底層二硼化鎂先驅(qū)膜制備完成，如圖2a所示。
[0064](2)制備勢壘層
[0065](2.1)用彈簧片或耐高溫膠帶將具有微結(jié)構(gòu)的鏤空掩模版固定在步驟(I)中制備的底層二硼化鎂先驅(qū)膜上，其中掩模版尺寸為10.0mmX3.0mm，鏤空部分的尺寸為8.0mmX 2.0mm，如圖 2b 所不；
[0066](2.2)將樣品工件臺放置于ZZXS-500電子束鍍膜機內(nèi)，并開始抽真空；
[0067](2.3)待真空度高于5X 10_5Pa后，打開石英晶體薄膜鍍層控制儀；
[0068](2.4)在底層二硼化鎂先驅(qū)膜上蒸鍍B層，待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示面板上的數(shù)字為80 A后停止鍍膜；
[0069](2.5)待真空室溫度降至室溫后取出樣品工件臺，至此結(jié)構(gòu)為[Mg(15nm)+B(10nm]—B(8nm)的底層二硼化鎂先驅(qū)膜和勢壘層制備完成，如圖2c所示；
[0070](3)制備上層二硼化鎂先驅(qū)膜
[0071](3.1)用彈簧片或耐高溫膠帶將具有微結(jié)構(gòu)的鏤空掩模版固定在步驟(2)中制備的勢魚層薄膜上，其中掩模版尺寸為10.0mmX 3.0mm,鏤空部分的尺寸為6.0mmX 1.0mm,如圖2d所示；
[0072](3.2)將樣品工件臺放置于ZZXS-500電子束鍍膜機內(nèi)，并開始抽真空；[0073](3.3)待真空度高于5X 10_5Pa后，打開石英晶體薄膜鍍層控制儀；
[0074](3.4)在勢壘層上蒸鍍B層，待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示面板上的數(shù)字為100 \后停止鍍膜；
[0075](3.5)在B層上蒸鍍Mg層，待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示面板上的數(shù)字丨50 A后停止鍍膜；
[0076](3.6)在Mg層上蒸鍍B層，待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示面板上的數(shù)字100 A后停止鍍膜；
[0077](3.7)重復(fù)步驟(3.5);
[0078](3.8)重復(fù)步驟(3.6)~(3.7)3 次;
[0079](3.9)待真空室溫度降至室溫后取出樣品工件臺，至此結(jié)構(gòu)為[Mg (15nm) +B (IOnm) ] 6一B (8nm) 一 [Mg (15nm) +B (IOnm) ] 5 膜厚 283nm 的二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜制備完成，如圖2e所示；
[0080]2、二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜退火
[0081]2.1將尺寸與步驟I的裸襯底大小相同的SiC裸襯底放置于電子束焊接機樣品室中的可移動工件臺上，當(dāng)樣品室真空度高于1.0XKT2Pa時，繼續(xù)如下操作；
[0082]2.2按照公式
【權(quán)利要求】
1.一種二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法，其特征在于:所述的制備方法為:在電子束加工設(shè)備的真空樣品室內(nèi)采用電子束對夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜退火，所述的夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜為采用二次掩膜法制備的[Mg/B]-X-[Mg/B]結(jié)構(gòu)先驅(qū)膜，X代表標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體層N或絕緣層I，在秒數(shù)量級的退火時間內(nèi)使先驅(qū)膜中的鎂、硼單質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終生成MgB2-X-MgB2結(jié)構(gòu)的SNS型或SIS型夾層式二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)，S代表超導(dǎo)層。
2.按照權(quán)利要求1所述的二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法，其特征在于:所述的采用二次掩膜法制備夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜方法的步驟為: (O制備底層二硼化鎂先驅(qū)膜: (1.1)將裸襯底固定在樣品工件臺上； (1.2)將樣品工件臺放置于薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)； (1.3)待薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)真空度達(dá)到10_5Pa數(shù)量級后，打開石英晶體薄膜鍍層控制儀；(1.4)對裸襯底蒸鍍先驅(qū)膜:按照周期結(jié)構(gòu)[Mg+B]蒸鍍先驅(qū)膜；在裸襯底上首先沉積第一層B膜，在第一層B膜上沉積第二層Mg膜，然后在第二層Mg膜上再沉積第三層B膜，在第三層B膜上沉積第四層Mg膜，以此類推，直至達(dá)到該層二硼化鎂先驅(qū)膜所需厚度； (1.5)待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示達(dá)到所需的二硼化鎂先驅(qū)膜厚度后停止鍍膜； (1.6)將制備 好的先驅(qū)膜取出，至此底層二硼化鎂先驅(qū)膜制備完成； (2)勢壘層: (2.1)用彈簧片或耐高溫膠帶將具有微結(jié)構(gòu)的鏤空掩模版固定在步驟(1)中制備的底層二硼化鎂先驅(qū)膜上，所述的掩模版鏤空部分的尺寸小于底層先驅(qū)膜尺寸； (2.2)將樣品工件臺再次放置于薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)； (2.3)待薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)真空度達(dá)到10_5Pa數(shù)量級后，打開石英晶體薄膜鍍層控制儀； (2.4)按照設(shè)計厚度蒸鍍勢壘層； (2.5)待石英晶體薄膜鍍層控制儀顯示達(dá)到所需的勢壘層厚度后停止鍍膜； (2.6)將制備好的先驅(qū)膜取出，去掉掩模版，至此勢壘層制備完成； (3)制備頂層二硼化鎂先驅(qū)膜: (3.1)用彈簧片或耐高溫膠帶將具有微結(jié)構(gòu)的鏤空掩模版固定在步驟(2)中制備的勢壘層薄膜上，所述掩模版鏤空部分的尺寸小于勢壘層薄膜尺寸； (3.2)將樣品工件臺再次放置于薄膜制備系統(tǒng)內(nèi)； (3.3)重復(fù)步驟(1.3)~(1.5); (3.4)將制備好的先驅(qū)膜取出，去掉掩模版，至此夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜制備完成。
3.按照權(quán)利要求2所述的二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法，其特征在于:所述的裸襯底為娃或碳化娃。
4.按照權(quán)利要求2所述的二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法，其特征在于:所述的夾層式二硼化鎂約瑟夫森結(jié)先驅(qū)膜中底層和頂層二硼化鎂先驅(qū)膜的周期結(jié)構(gòu)[Mg+B]為[Mg(12nm)+B(8nm)]或[Mg(15nm)+B(IOnm)]。
5.按照權(quán)利要求1所述的二次掩膜法制備二硼化鎂超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的方法，其特征在于:所述的電子束加工設(shè)備為電子束焊接機、電子束退火機或電子束曝光機。
【文檔編號】H01L39/24GK103904210SQ201410056684
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】孔祥東, 李曉娜, 韓立, 初明璋, 許壯 申請人:中國科學(xué)院電工研究所